CN109912043B

CN109912043B - 一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN109912043B
Application number: CN201910179985.1A
Authority: CN
Inventors: 邵雅璐; 张洪维
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: CN109912043A

Abstract

本发明将EM菌技术和纳米技术相结合，公开了一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法及其应用，属于水体修复技术领域。通过将EM进行驯化和复壮，复壮液再与具有絮凝效应的聚合硫酸铁、黄腐酸和硫酸钙复配，并将复配液固定化于由活化麦饭石、纳米金属材料及高岭土等材料制成的多孔载体上，制成纳米化生物制剂。制备步骤为：EM的驯化及复壮液的制备；絮凝剂的制备；EM菌‑絮凝剂复配液的制备；固定化载体的制备；纳米化生物制剂的制备。制得的纳米化生物制剂中的微生物活性高，通过异养生物反硝化和化学反硝化作用去除水产养殖水体中的硝酸盐，可达到95.3％的去除率，对水体中总氮、总磷、COD及淤泥也具有降解作用。

Description

一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于水体修复技术领域，具体涉及一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法及其应用。

背景技术

高密度水产养殖过程中，需向水体投加大量的饲料供水生动物生长，饲料残渣腐解以及水生动物的代谢产物会造成水体中COD升高和溶解氧降低，且水体中微生物的氨化和硝化作用使饲料中的蛋白质、氨基酸生成NO₃ ^--N和NO₂ ^--N等物质，如果养殖水体中的有机物、NO₃ ^--N、NO₂ ^--N等物质浓度过高，会导致水产养殖水体水环境的恶化，影响水生动物的健康生长。

经常向水产养殖水体定向添加可以降解有机物的液态微生物制剂，或者具有反硝化作用的微生物制剂，虽然可以有效降低污染程度，但是添加到水体中的液态微生物制剂，在其自体生长繁殖的生命周期中会自然死亡或者不适应环境而死亡，破解的菌体会再次将各种有机物释放到水体中。微生物制剂的代谢作用易受菌株四周水体中有机物、NO₃ ^--N或者NO₂ ^--N的浓度影响，导致其对水体净化的速度较为缓慢。

水产养殖水体中积累的有机物、NO₃ ^--N和NO₂ ^--N等物质如能和微生物制剂密切接触，将有利于污染物的降解。目前，利用固定化微生物技术进行水产养殖污水处理的研究在国内外已有较多报道，应用较多的载体材料为活性炭、竹炭、沸石粉、PVC、底泥等，如用竹炭及活性炭吸附方法固定反硝化菌来处理含氮污水等。这些研究虽然取得了一定的效果，但仍存在不足，如所用菌种单一、稳定性差，容易死亡，固定化材料存在诸如比重大、流态化能耗高、孔隙率低、比表面积小、吸附能力差、使用成本高、加工工艺复杂等缺点。

固定化微生物效果与所用载体的特性密切相关，良好的载体不仅能大大提高其中的微生物浓度和数量，而且微生物的活性较强。载体对微生物的吸附能力取决于它的比表面积、孔隙结构及表面特性等。综上可知，选择适宜的微生物及其载体在利用固定化微生物技术去除水产养殖水体里的硝酸盐中相当重要。因此，通过生物驯化和复壮技术，固定化于科学配伍的纳米化载体中，通过提升异养反硝化和化学反硝化的效率将水产养殖水体中的硝酸盐等污染物得以去除，能够有效避免水产养殖污水大量排放或换水导致的对周围水体的污染，对防控农业面源污染和保护水体生态环境意义重大。

发明内容

发明目的：针对高密度水产养殖引发的硝酸盐污染和水质恶化问题，运用微生物定向驯化和复配技术与固定化载体纳米化技术相结合的方式，在实验的基础上研制了一种纳米化生物制剂，该产品能有效去除水产养殖污水中的硝酸盐，对总氮、COD等污染物质及底泥的去除效果也十分显著。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提供了一种纳米化生物制剂的制备方法。具体技术方案是：

一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将EM菌原液和培养液混合，密闭条件下发酵，制得EM菌驯化复壮液；EM菌原液含有光合细菌、乳酸菌、酵母菌和放线菌等微生物，驯化培养后反硝化细菌活性增强，且EM菌驯化复壮液除了微生物总量达到3×10⁸cfu·mL^-1外，还含有大量的有机酸(乳酸、葡萄糖)、氨基酸及许多活性物质。在EM复壮过程中，红糖和淘米水的作用是为EM微生物代谢提供了C源和能源，EM从休眠状态变成活动状态，EM厌氧发酵使其中的反硝化细菌活性增强、数量增加。(2)将聚合硫酸铁、黄腐酸、硫酸钙、去离子水按照一定的重量比混合加热溶解，制成复合絮凝剂；PFS(聚合硫酸铁)固体对水体的絮凝效果优于硫酸铁，且适用的pH范围较广，黄腐酸和硫酸钙也具有较好的絮凝效果，经科学配伍的复合絮凝剂对养殖水体浊度及悬浮物的净化效果尤为显著；(3)将EM菌驯化复壮液、复合絮凝剂按一定的体积比复配，发酵，制成EM菌-絮凝剂复配液；(4)将麦饭石研磨过筛，然后活化，将活化后的麦饭石、纳米金属材料及高岭土用去离子水清洗，按质量百分比20％～30％：5％～10％：60％～75％混匀，并压缩成球，得到球形固定化载体；高岭土可以在载体成球过程中提供很好的粘结性，使得载体不易破裂；(5)将球形固定化载体放入EM菌-絮凝剂复配液中浸泡3～5天，取出后烘干1～2天，得到纳米化生物制剂。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，按所述聚合硫酸铁：黄腐酸：硫酸钙：去离子水＝1：0.5：2：15～2：1：3：35的重量比混合加热溶解，制成复合絮凝剂。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，所述培养液主要含有红糖和淘米水，EM菌原液、红糖和淘米水按3～5％：3～5％：90～94％的体积百分比混合。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，所述步骤(5)中，烘干温度为35℃。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，步骤(1)中设置发酵时间为5～7天，温度为30～35℃，摇床转速为180～200r/min。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，所述纳米金属材料主要由纳米铜粉、纳米锌粉、纳米铝粉组成。优选地，由纳米铜粉50份、纳米锌粉5份和纳米铝粉45份混合组成。

以上任一项所述的纳米化生物制剂的应用：用于去除水产养殖水体中的硝酸盐、总氮、总磷、COD或淤泥。

以上任一项所述的纳米化生物制剂用于清除水产养殖塘中淤泥的用途。

上述的纳米化生物制剂的应用，在应用时，将纳米化生物制剂直接投放到待处理的水产养殖水体中。纳米化生物制剂的优化用量为10～50g·m^-3水体。

上述的纳米化生物制剂的应用，在应用时，将纳米化生物制剂直接投放到待处理的水产养殖塘淤泥中。纳米化生物制剂的用量为10～50g·m^-3水体。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，步骤(4)中，所述的麦饭石过80目筛，所述的纳米金属材料粒径为20～30nm。纳米金属材料具有巨大的比表面积和多孔特点，有较好的生物相容性，且细胞吸附量大，可有效提高微生物的吸附、固定和栖息，同时零价金属具有化学反硝化作用。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，步骤(4)中，球形固定化载体的直径为2～3cm。然而本发明的载体形状并不限于球形。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，所述麦饭石的活化方法为：将麦饭石研磨过筛，然后用硝酸活化，以100g麦饭石计，向100g麦饭石中加入质量浓度为10.3％的硝酸40～50mL，进行麦饭石的活化，活化时间为3～5天。活化后的麦饭石具有蜂穴状结构，孔隙率和比表面积增大，具有更强的吸附能力，能够清除污水中各类污染物质，调节水体pH，降低水体色度，去除臭味，消灭水中病原微生物等。

上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，硝氮的去除率≥90％，总氮的去除率≥80％，总磷的去除率≥65％，COD的去除率≥80％。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明选用适用于水产养殖水体净化的EM菌驯化复壮液，它具有很强的稳定性，抗氧化能力强且好氧和厌氧的硝化和反硝化细菌齐全；并将其与絮凝效果及吸附效果显著的PFS和黄腐酸复配，大大增强了对水体中悬浮物的吸附和去除效果。同时选用纳米金属材料和活化麦饭石、高岭土混合制备固定化载体，利用纳米金属材料的高比表面积(700-1000m²·g^-1)和活化麦饭石的强大吸附能力，使得附着的微生物数量大大增加、活性大大增强，本发明的载体具有更好的生物相容性和反硝化性能。

(2)本发明的制备方法工艺简单，生产成本低，具有能够迅速分解水产养殖污水中的硝酸盐、总氮、磷、COD等污染物质、清除水产养殖池塘淤泥、改善水质等优点；

(3)所用EM菌-絮凝剂复配液，构建了好氧和厌氧菌共生的环境，微生物适应环境的能力更强，使异养硝化作用和反硝化作用交替进行，去氮效果显著；

(4)在载体制作过程中加入纳米金属材料，使得载体具有更大的比表面积和更好的生物相容性，且纳米金属合金中的零价金属具有化学反硝化作用，提升了脱氮效果；

(5)在载体制作过程中加入经酸活化后的麦饭石，使得载体具有蜂窝状结构，生物吸附能力提升，纳米化生物制剂投放到待处理的水产养殖水体中后，其携带的微生物能迅速适应环境，并对水体环境进行调控，快速改善水质。

具体实施方式

本发明使用的EM菌原液购自爱睦乐环保生物技术(南京)有限公司，含有乳酸菌、酵母菌、光合菌等有效活性微生物，活菌数不少于1亿个/毫升，pH不小于3.8。PFS(聚合硫酸铁)、黄腐酸、麦饭石均购自南京化学试剂股份有限公司。纳米金属材料由纳米铜粉50份、纳米锌粉5份和纳米铝粉45份混合组成，纳米金属材料购自湖南耀弘纳米科技有限责任公司。红糖、硫酸钙、硝酸、去离子水、高岭土是从相关公司和化学试剂商店购置，淘米水为自制，下面通过具体的实施例详细说明本发明。

实施例1

(1)将EM菌原液、红糖和淘米水按3～5％：3～5％：90～94％的体积百分比混合，并将其移入反应瓶中，在密闭条件下，放入恒温培养箱中发酵5～7天，设置发酵温度为30～35℃，摇床转速为180～200r/min，制得EM菌驯化复壮液；EM菌原液含有光合细菌、乳酸菌、酵母菌和放线菌等微生物，驯化培养后反硝化细菌活性增强，且EM菌驯化复壮液除了微生物总量达到3×10⁸cfu·mL^-1外，还含有大量的有机酸(乳酸、葡萄糖)、氨基酸及许多活性物质。在EM复壮过程中，红糖和淘米水的作用是为EM微生物代谢提供了C源和能源，EM从休眠状态变成活动状态，EM厌氧发酵使其中的反硝化细菌活性增强、数量增加。

(2)按PFS：黄腐酸：硫酸钙：去离子水＝1：0.5：2：15～2：1：3：35的重量比混合加热溶解，制成复合絮凝剂；PFS固体对水体的絮凝效果优于硫酸铁，且适用的pH范围较广，黄腐酸和硫酸钙也具有较好的絮凝效果，经科学配伍的复合絮凝剂对养殖水体浊度及悬浮物的净化效果尤为显著；

(3)将EM菌驯化复壮液与复合絮凝剂按照1～2:0.8～1.2的体积比复配，并将其转入反应瓶中发酵3～5天，制成EM菌-絮凝剂复配液；

(4)将麦饭石研磨过筛，然后用硝酸活化，将活化后的麦饭石、纳米金属材料及高岭土用去离子水清洗，按质量百分比20％～30％：5％～10％：60％～75％混匀，并压缩成球，得到球形固定化载体；高岭土可以在载体成球过程中提供很好的粘结性，使得载体不易破裂；

(5)将上述制得的球形固定化载体放入EM菌-絮凝剂复配液中浸泡，温度为室温，浸泡时间为3～5天，取出后置于35℃烘箱中烘干1～2天，得到纳米化生物制剂。

优选地，上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，步骤(4)中，所述的麦饭石过80目筛，所述的纳米金属材料粒径为20～30nm。纳米金属材料具有巨大的比表面积和多孔特点，有较好的生物相容性，且细胞吸附量大，可有效提高微生物的吸附、固定和栖息，同时零价金属具有化学反硝化作用。

优选地，上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，步骤(4)中，麦饭石的活化步骤为：以100g麦饭石计，向100g麦饭石中加入质量浓度为10.3％的硝酸40～50mL，进行麦饭石的活化，活化时间为3～5天。活化后的麦饭石具有蜂穴状结构，孔隙率和比表面积增大，具有更强的吸附能力，能够清除污水中各类污染物质，调节水体pH，降低水体色度，去除臭味，消灭水中病原微生物等。

优选地，上述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，步骤(4)中，球形固定化载体的直径为2～3cm。

优选地，上述的纳米化生物制剂用于去除水产养殖水体中的硝酸盐及其它污染物的用途。

优选地，在应用时，将纳米化生物制剂直接投放到待处理的水产养殖水体中。

优选地，纳米化生物制剂的用量为10～50g·m^-3水体。纳米化生物制剂的优选用量为10～50g·m^-3水体。

优选地，上述的纳米化生物制剂用于清除水产养殖塘中淤泥的用途。在应用时，将纳米化生物制剂直接投放到待处理的水产养殖塘淤泥中。纳米化生物制剂的优选用量为10～50g·m^-3水体。

实施例2

EM菌原液、红糖和淘米水按4％：4％：92％的体积百分比混合，并将其移入反应瓶中，在密闭条件下，放入恒温培养箱中发酵7天，设置发酵温度为35℃，摇床转速为180r/min，制得EM菌驯化复壮液；然后按PFS固体：黄腐酸：硫酸钙：去离子水＝1：1：2：16的重量比混合加热溶解，制成复合絮凝剂，将EM菌驯化复壮液和复合絮凝剂按照2:1.2的体积比复配，并将其转入反应瓶中发酵3天，制成EM菌-絮凝剂复配液。将麦饭石研磨过80目筛，向100g麦饭石中加入质量浓度为10.3％的硝酸45mL，进行麦饭石的活化，活化时间为3天，将活化后的麦饭石、纳米金属材料及高岭土用去离子水清洗，按质量百分比30％：10％：60％混匀，并压缩成球，得到球形固定化载体，直径为2cm。纳米金属材料由纳米铜粉50份、纳米锌粉5份和纳米铝粉45份混合组成。将制得的球形固定化载体放入EM菌-絮凝剂复配液中浸泡，温度为25℃，浸泡时间为3天，取出后置于35℃烘箱中烘干2天，得到纳米化生物制剂。在高淳某螃蟹养殖塘采集10L水产养殖污水，经测定，污水中主要污染物质及质量浓度分别为，硝氮35mg·L^-1，总氮51mg·L^-1，总磷18mg·L^-1，COD 102mg·L^-1，pH为8，DO含量为1mg·L^-1。在该污水中投入20g纳米化生物制剂，并与等量的日照益康有机农业科技发展有限公司生产的水产养殖水体改良剂(固体)及EM菌驯化复壮液进行对比，每天间歇曝气，7天后监测水质，污水中主要污染物的去除率如表1所示。其中：EM菌原液购自爱睦乐环保生物技术(南京)有限公司，含有乳酸菌、酵母菌、光合菌等有效活性微生物，活菌数不少于1亿个/毫升，pH不小于3.8。

表1不同制剂对水产养殖污水净化效果(去除率％)

指标	纳米化生物制剂	水体改良剂	EM复壮液
				硝氮	94.3	61.6	40.1
总氮	83.4	50.9	34.7
				总磷	65.8	34.9	27.8
COD	80.8	71.0	58.6

从表1可以看出，本发明的纳米化生物制剂总体净化效果明显好于日照益康有机农业科技发展有限公司生产的水产养殖水体改良剂和EM菌驯化复壮液，特别是硝态氮的去除效果最好，说明该纳米化生物制剂对水产养殖污水中的硝酸盐去除具有特异作用。

实施例3

EM菌原液、红糖和淘米水按5％：5％：90％的体积百分比混合，并将其移入反应瓶中，在密闭条件下，放入恒温培养箱中发酵6天，设置发酵温度为30℃，摇床转速为200r/min，制得EM菌驯化复壮液；然后按PFS固体：黄腐酸：硫酸钙：去离子水＝2：1：2：25的重量比混合加热溶解，制成复合絮凝剂，将EM菌驯化复壮液和复合絮凝剂按照1:1的体积比复配，并将其转入反应瓶中发酵5天，制成EM菌-絮凝剂复配液。将麦饭石研磨过80目筛，向100g麦饭石中加入质量浓度为10.3％的硝酸40mL，进行麦饭石的活化，活化时间为4天，将活化后的麦饭石、纳米金属材料及高岭土用去离子水清洗，按质量百分比25％：8％：67％混匀，并压缩成球，得到球形固定化载体，直径为3cm。纳米金属材料由纳米铜粉50份、纳米锌粉5份和纳米铝粉45份混合组成。将制得的球形固定化载体放入EM菌-絮凝剂复配液中浸泡，温度为室温，浸泡时间为4天，取出后置于35℃烘箱中烘干1.5天，得到纳米化生物制剂。分别在高淳某螃蟹养殖塘采集20L水产养殖污水及淤泥，将20L水产养殖污水置于50cm高的水槽中，并放入20cm厚的池塘淤泥，水质指标同实施例1，在其中各投入20g纳米化生物制剂，并与等量的日照益康有机农业科技发展有限公司生产的水产养殖水体改良剂(固体)及EM菌驯化复壮液进行对比，每天间歇曝气，7天后监测水质及淤泥的消除效果，主要水质指标的去除率如表2所示。其中：EM菌原液购自爱睦乐环保生物技术(南京)有限公司，含有乳酸菌、酵母菌、光合菌等有效活性微生物，活菌数不少于1亿个/毫升，pH不小于3.8。

表2不同制剂对水产养殖污水净化效果对比(去除率％)

指标	纳米化生物制剂	水体改良剂	EM菌驯化复壮液
				硝氮	95.3	60.5	43.2
总氮	85.6	57.4	37.2
				总磷	68.7	41.6	28.4
COD	80.4	65.3	54.9

从表2可以看出，和实施例1一致，本发明的纳米化生物制剂硝态氮的去除效果及对其它污染物的净化效果明显好于日照益康有机农业科技发展有限公司生产的水产养殖水体改良剂和EM菌驯化复壮液，且7天后，纳米化生物制剂处理的淤泥厚度经测量减少了2.9cm，即约14.5％的淤泥被消除，而经水体改良剂和EM菌驯化复壮液处理的淤泥厚度仅减少了1.0cm和0.5cm。以上监测数据说明本发明的纳米化生物制剂对水产养殖污水中的硝酸盐去除具有特异作用，在水产养殖水体水质净化处理及清淤方面有很好的效果。

以上所述仅为本发明的典型实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将EM菌原液和培养液混合，密闭条件下设置发酵时间为5～7天，温度为30～35℃，摇床转速为180～200r/min，制得EM菌驯化复壮液；所述培养液主要含有红糖和淘米水，EM菌原液、红糖和淘米水按3～5％：3～5％：90～94％的体积百分比混合；(2)将聚合硫酸铁、黄腐酸、硫酸钙、去离子水按聚合硫酸铁：黄腐酸：硫酸钙：去离子水＝1：0.5：2：15～2：1：3：35的重量比混合加热溶解，制成复合絮凝剂；(3)将EM菌驯化复壮液、复合絮凝剂按一定的体积比复配，发酵，制成EM菌-絮凝剂复配液；(4)将麦饭石研磨过筛，然后活化，将活化后的麦饭石、纳米金属材料及高岭土用去离子水清洗，按质量比20％～30％：5％～10％：60％～75％混匀，并压缩成球，得到球形固定化载体，所述纳米金属材料由纳米铜粉50份、纳米锌粉5份和纳米铝粉45份混合组成；(5)将固定化载体放入EM菌-絮凝剂复配液中浸泡3～5天，取出后35℃烘干1～2天，得到纳米化生物制剂；

所述麦饭石的活化方法为：将麦饭石研磨过筛，然后用硝酸活化，以100g麦饭石计，向100g麦饭石中加入质量浓度为10.3％的硝酸40～50mL，进行麦饭石的活化，活化时间为3～5天；

EM菌原液的活菌数不少于1亿个/毫升，pH不小于3.8；

EM菌驯化复壮液微生物总量达到3×10⁸cfu·mL^-1；

得到的纳米化生物制剂硝氮的去除率≥90％，总氮的去除率≥80％，总磷的去除率≥65％，COD的去除率≥80％。

2.如权利要求1所述的一种去除水体中硝酸盐的纳米化生物制剂的制备方法，其特征在于，所述EM菌原液里含有光合细菌、乳酸菌、酵母菌和放线菌。